EP1618395A1 - Messung der stromverteilung/wärmeverteilung einer elektrochemischen elektrode - Google Patents

Messung der stromverteilung/wärmeverteilung einer elektrochemischen elektrode

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EP1618395A1
EP1618395A1 EP04723899A EP04723899A EP1618395A1 EP 1618395 A1 EP1618395 A1 EP 1618395A1 EP 04723899 A EP04723899 A EP 04723899A EP 04723899 A EP04723899 A EP 04723899A EP 1618395 A1 EP1618395 A1 EP 1618395A1
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EP
European Patent Office
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measuring device
measuring
current
resistance
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04723899A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Till Kaz
Heinz Sander
Stefan Schönbauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP1618395A1 publication Critical patent/EP1618395A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04574Current
    • H01M8/04582Current of the individual fuel cell
    • HELECTRICITY
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04552Voltage of the individual fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • Measuring device for measuring the local current distribution / heat distribution on an electrochemical electrode
  • the invention relates to a measuring device for measuring the local current distribution / heat distribution on an electrochemical electrode, comprising a plurality of measuring segments, one measuring segment having a resistance element and at least one current conduction element, via which the electrochemical electrode can be contacted and current is diverted to the associated resistance element.
  • Such a measuring device is known from the unpublished DE 101 51 601 AI.
  • the invention has for its object to provide a measuring device of the type mentioned, which is easy to manufacture.
  • the resistance element assigned to a measuring segment is oriented such that the current flow at the resistance element in in a direction transverse to the direction of current flow on the current conduction element.
  • the measuring device according to the invention can be manufactured in a simple manner, in particular in connection with a multilayer structure, since the resistance elements can be manufactured in a simple manner. For example, they are applied over a wide area using thin-film or thick-film technology.
  • the thickness of the measuring device according to the invention can be kept low or adapted, since the height of the resistance elements in the thickness direction can be kept low, so that the thickness of the measuring device is not determined by the resistance elements themselves.
  • the measuring device can thus be produced by production processes known from printed circuit board technology and in particular produced as a multilayer board.
  • the measuring device which can be integrated into a bipolar contact plate, for example, can be made flat and in particular with a thickness that corresponds to conventional bipolar plates that do not contain a measuring device. As a result, the distance between opposite electrodes need not be changed because of the measurement of the local current distribution or local heat distribution.
  • the resistance elements are oriented essentially parallel to a surface of the measuring device facing the electrochemical electrode. This simplifies the manufacture of the measuring device. In particular, this can be manufactured as a multilayer board (i.e. with a multi-layer structure). Furthermore, there are no particular restrictions on the thickness of the measuring device due to the design of the resistance elements.
  • a measuring segment has a closed contact surface for the electrochemical electrode. Current can then be removed from any point of the electrochemical electrode which is in electrical contact with the contact surface. This ensures a safe measurement.
  • the power line elements are arranged in a grid with respect to the contact surface. As a result, the current absorbed to a certain extent by the contact surface can be safely diverted to an associated resistance element, the resistance of the individual current line elements being able to be kept low.
  • contact surfaces are arranged in a grid on a surface of the measuring device facing the electrochemical electrode. This allows a largely complete range of Measure the surface of the electrochemical electrode with respect to the local current distribution.
  • current-conducting elements which lead away from a surface of the measuring device which faces the electrochemical electrode are designed in such a way that gas-tightness is ensured.
  • they are solid.
  • power line elements are often designed as hollow cylinders through circuit board layers. H.
  • the inner surface is provided with an electrical conductor.
  • a power line element is solid.
  • it can also be a hollow element, the cavity of which is filled in order to produce gas-tightness. This ensures gas tightness, d. H. it is prevented that a reaction gas can flow into the measuring device via the power line elements.
  • a power line element can be manufactured in a simple manner if corresponding recesses and in particular bores are clad or filled with an electrically conductive material such as copper. In the case of cladding, the cavity is filled. This allows a direction of current conduction across the surface to be achieved in a simple manner.
  • the resistance elements can be calibrated with regard to their resistance value. Basically, the resistance elements can have a temperature dependency. If the resistance elements are formed by means of copper layers, then they even have a relatively strong temperature dependence. The current flow can then only be determined from a measured voltage drop if the temperature is known and the corresponding resistance value at this temperature is known. During the calibration process, a defined current is applied to the corresponding resistor, whereby defined temperature conditions prevail, and the voltage drop is determined. The corresponding values are saved. If a voltage drop is then determined during the actual measurement and the temperature is known, then the current flow can also be determined from the tables determined during the calibration process, and thus in turn the local electrode current assigned to each measurement segment.
  • a resistance element has one or more calibration connections, so that the corresponding calibration measurements can be carried out on each resistance element.
  • measuring segments are provided for temperature measurement.
  • These measuring segments can be the actual measuring segments or additional measuring segments which are arranged in particular between the actual measuring segments for local current distribution.
  • the local temperature distribution on the electrochemical electrode can be determined.
  • the appropriate Arrangement between the measuring segments for local current distribution via the temperature measurement measuring segments determine the temperature in a position which receives the resistance elements for the current measurement, in order to determine the relevant resistance value depending on the temperature, in particular from a calibration table. As a result, the temperature influence on the resistance value can be detected, and the current value can in turn be determined with high accuracy.
  • a temperature measurement measuring segment has a resistance element of known temperature characteristic. This allows the temperature to be determined by applying a defined current and by measuring the voltage drop.
  • the temperature measurement measurement segments are advantageously arranged between measurement segments for the current measurement.
  • the measuring accuracy for the current measurement can then be increased, since the temperature influence on the resistance value of the resistance elements can be taken into account.
  • the measuring device has a multilayer structure. It can then be produced using known production processes from multilayer technology.
  • a position is provided in which the resistance elements are arranged.
  • the thickness of this layer is not determined by the thickness of the resistance elements. It is also advantageous if a layer is provided in which current-conducting elements are arranged, which lead to a surface of the measuring device facing the electrochemical electrode. Currents can be derived from a surface via these current conduction elements, ie currents can be derived from the electrode to the resistance elements.
  • a layer is provided which is arranged between the layer with the current-conducting elements which lead to the surface and the layer with the resistance elements, and which comprises current-conducting elements to the resistance elements.
  • a position which comprises lines for calibrating the resistance element.
  • this layer is designed so that conductor tracks are arranged concealed, i. H. do not sit on a surface of the measuring device. This protects them.
  • an outer layer which provides electrical contact with a surface of the measuring device which is opposite the surface which faces the electrochemical electrode to be measured.
  • the electrical circuits can be closed via this position.
  • Such an outer layer can be produced in a simple manner if a contact device, which lies opposite the surface of the measuring device which faces the electrochemical electrode to be measured, is an equipotential surface.
  • Such an equipotential surface can be produced in a simple manner by a coating made of an electrically conductive material or by a plate made of an electrically conductive material. In this way, a current collecting device can be realized in a simple manner, on which the individual current paths are combined. Since electrical conductors are also good heat conductors, good cooling can be achieved via such an equipotential surface. Cooling ducts can also be integrated in a simple manner, in particular when a plate is provided.
  • connection element for the voltage measurement. Via this connection element, which has corresponding contacts, voltage signals can then be tapped and lead to an evaluation device.
  • connection elements can be provided, for example two, which are located on opposite sides of the measuring device. This makes it easier to guide the conductor tracks in the appropriate positions.
  • connection element and in particular separate connection element is provided for a calibration measurement of the resistance elements. This also facilitates the routing of the conductor track.
  • the measuring device according to the invention can be placed in a contact plate and in particular a bipolar plate for arrangement between an adjacent anode and integrate cathode.
  • the adjacent anode and cathode are in particular an adjacent anode and cathode of adjacent fuel cells of a fuel cell stack.
  • the measuring device according to the invention in a gas distribution element, by means of which reaction gas can be fed to an electrochemical electrode. Simultaneous training as a contact plate and gas distribution element is possible. However, it can also be provided that the corresponding electrochemical electrode itself is provided with gas distribution channels. Furthermore, it is possible to integrate the measuring device according to the invention in a gas distribution element which is not arranged between adjacent electrodes, but rather is only assigned to a single electrode.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a measuring device according to the invention, which as
  • Contact plate is arranged between an opposite anode and cathode
  • FIG. 2 shows a schematic side sectional view of an exemplary embodiment of a measuring device according to the invention
  • Figure 3 (a) is an enlarged section of a resistance layer
  • FIG. 3 (b) is an enlarged detail view with current line elements (corresponding to area B in accordance with FIG.
  • FIG. 4 shows an enlarged illustration of a resistance element for temperature measurement (corresponding to area C according to FIG. 7);
  • FIGS. 5 to 9 are sectional views in different planes of the measuring device according to FIG. 2, the different sectional views showing different positions with
  • Figure 5 is a sectional view in a first position along the line
  • Figure 6 is a sectional view taken along line 6-6 of Figure 2 corresponding to a second layer
  • FIG. 7 shows a sectional view along the line 7-7 according to FIG. 2 corresponding to a position with resistance elements; 8 shows a sectional view along the line 8-8 according to FIG. 2 corresponding to a position with calibration lines for resistance elements and
  • Figure 9 is a plan view of the measuring device according to Figure 2 in the direction D corresponding to a fifth layer.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a measuring device according to the invention, which is shown schematically in FIG. 1 and is designated there as a whole by 10, is arranged, for example, as a contact plate (bipolar plate) between a cathode 12 as an electrochemical electrode and an anode 14 as a further electrochemical electrode.
  • a contact plate bipolar plate
  • the cathode 12 and the anode 14 are the adjacent electrodes between adjacent fuel cells of a fuel cell stack.
  • the measuring device 10 can be designed as a contact plate or can be integrated into such a contact plate.
  • the measuring device 10 can additionally or alternatively be designed as a gas distribution element which has gas channels 16, via which there are
  • Reaction gas can be fed to the corresponding electrochemical electrode.
  • the gas distribution element prefferably be a contact plate at the same time
  • gas distribution channels are integrated in the electrochemical electrode, so that the contact plate with the measuring device has no gas distribution function.
  • the local current distribution and, in one variant of an embodiment, also the local heat distribution at the electrochemical electrode to be measured can be determined by the measuring device according to the invention.
  • the measuring device 10 has a surface 18 which faces the electrochemical electrode 12 to be measured and can be brought into electrical contact with it.
  • a plurality of measuring segments 20 are provided for the current measurement, which are distributed over the measuring device 10.
  • Each measuring segment 20 is assigned to a specific surface area of the electrochemical electrode 12 to be measured, and the current can be measured at the assigned area of the electrochemical electrode 12 via the corresponding measuring segment 20.
  • the spatial resolution of the measurement is determined by the number and by the size of the measurement segments 20.
  • a measuring segment 20 has a contact surface 22 (contact surface) for contacting the electrochemical electrode 12.
  • a contact area 22 is, for example, made of a layer of an electrically conductive material such as copper on the surface 18. Adjacent contact areas 22 are spaced apart, ie. H. they are not connected to each other. These contact areas 22 are arranged in a grid which covers the surface 18 with the corresponding gaps between adjacent contact areas 22.
  • the measuring device 10 is preferably constructed in several layers.
  • a first layer 24 comprises the surface 18 with the contact areas 22.
  • a respective contact surface 22 is assigned a plurality of recesses 26, which are filled gas-tight, for example with an electrically conductive material 28. It is also possible to produce the through-contacts by cladding the walls of the recesses 26 with an electrically conductive material, the remaining space is filled gas-tight (the filling material does not have to be electrically conductive here).
  • the recesses 26 are filled with copper.
  • the contact surfaces 22 sit on these filled recesses 26 and. are electrically connected to them.
  • current line elements 30 are formed, by means of which an electrical current can be conducted from the respective contact surfaces 22 through the first layer 24.
  • the current line elements 30 are arranged transversely to the surface 18, so that a current can flow through the first layer 24.
  • a plurality of power line elements 30 is assigned to each contact area 22. It is also possible to assign a separate contact surface to each power line element 30 on the surface 18 (not shown in the drawing).
  • the contact surfaces 22 can be gold-plated. This results in a reduction in the contact resistance to the electrochemical electrode with increased chemical resistance.
  • a measuring segment 20 comprises 8 ⁇ 8 current line elements 30 as plated-through holes, 7 ⁇ 7 measuring segments 20 being provided, for example.
  • a measuring segment 20 has on the surface 18 an area of 7 mm x 7 mm. The part of such a measuring segment 20, which lies in the first layer 24 and is connected to a corresponding contact surface 22 on the surface 18, is shown in FIG. 5 and there provided with the reference number 32.
  • a measuring segment 20 which has a contact surface 22 is assigned a plurality of current line elements 30, in particular arranged in a grid, as plated-through holes, current can be applied over the entire area of the contact surface 22, independently of any integrated gas channels. The discharge of the current through the first layer 24 is ensured.
  • the power line elements 30 are solid or the recesses 26 are filled, gas passage into further layers arranged under the first layer 24 can be prevented.
  • the second layer 34 is followed by a second layer 34.
  • current line elements 30 assigned to a measuring segment 20 are conductively connected to one another via a contact layer 36.
  • the contact layers 36 of adjacent measuring segments 20 are electrically insulated from one another.
  • a single current conducting element 38 leads downwards into an adjacent third layer 40 (FIGS. 2 and 7).
  • Resistance elements 42, 44 (FIGS. 3 (a), 4 and 7) are arranged in the third layer 40.
  • the resistance elements 42 are used for current measurement and the resistance elements 44 are used for temperature measurement.
  • a resistance element 42 which is assigned to a measuring segment 20, is oriented essentially parallel to the surface 18 in the third layer 40 with a direction of current flow which is transverse to the direction of current flow in the current conduction elements 30 and in particular is perpendicular to the direction of current flow through the first layer 24.
  • the thickness of the measuring device 10 transverse to the surface 18 can be kept small or set specifically.
  • the resistance elements 42 are distributed in the third layer 40, for example in a grid, corresponding to the measuring segments 20.
  • a resistance element 42 is coupled to lines 46, 48 via connections 50, 52. These lines 46 run in the third layer 40 to a lateral edge of the measuring device 10. The voltage drop across the respective resistance elements 42 can be measured via them.
  • each resistance element 42 is contacted for current application upwards to the second layer 34 via the current line elements 38. Down to a fourth layer 54, each resistance element 42 is provided with a single current conducting element 56 (FIG. 3 (b)).
  • the current flows through a contact surface 22
  • the current flows through the corresponding current-conducting elements 30 to the associated resistance element 42 of the respective measuring segment 20 in a direction that is transverse to the surface 18.
  • the current then flows between the resistance element 42 the corresponding coupling points to the current conduction element 38 and the current conduction element 56 through the resistance element 42 with a current flow direction which is transverse to the current flow direction in the current conduction elements 30.
  • the falling voltage can be tapped off at the connections 50, 52.
  • the resistance elements 44 are arranged between corresponding resistance elements 42, which are assigned to the respective measuring segments 20. Thereby, temperature measurement measurement segments 57 are arranged between the measurement segments 20 for the current measurement. These have a larger area for the current flow than the resistance elements 42. They are used for temperature measurement by externally applying a defined current and measuring the voltage drop in each case, the temperature dependence of the resistance of the resistance elements 44 being known, so that from an electrical measurement the temperature can be determined.
  • a resistance element 44 is formed between connecting lines 58, 60, as shown in FIG. 4.
  • a current can be sent through the resistance element 44 via these connecting lines 58, 60, which run outwards in the third layer 40.
  • the voltage drop between connections 62, 64 is measured, corresponding lines 56, 68 being provided which lead to the edge of the measuring device 10.
  • These lines 66, 68 run in the third layer 40.
  • a resistance element 44 is, for example, as shown in FIG. 4, meandering with conductor tracks which run between the connections 62 and 64. In this way, the temperature can be determined in the third layer 40 via a voltage measurement.
  • a plurality of resistance elements 44 are connected in series in the third layer 40. This simplifies the power supply because fewer external connections are required.
  • the resistance elements 44 are arranged between the resistance elements 42 of the corresponding measuring segments 20 in such a way that they do not interfere with their regular arrangement, while the conductor tracks of the lines 58, 60 and 66, 68 in the corresponding third one Location 40 are performed.
  • a current-conducting element 70 is guided in association with each resistance element 42.
  • the respective current line elements 70 are connected to an equipotential surface 74 forming a fifth layer 72 (FIGS. 2 and 9). This is, for example, a copper plate or a copper layer. The current is passed on via this equipotential surface 74, which forms a contact device.
  • the fourth layer 54 there are also current conduction elements 76 running transversely to the surface 18 (FIGS. 2, 3 (b), 8), each of which is assigned to a measuring segment 20 and is connected to the respective resistance element 42. Such a current conduction element 76 is also coupled to a conductor track 78, which runs in the fourth layer 54 to one side of the measuring device 10.
  • the coupling point of a current conduction element 76 to a resistance element 42 is a calibration connection 80.
  • the calibration connection 80 i. H.
  • a defined current is sent through the resistance element 42.
  • the current flow takes place through the conductor track 78 via the current conducting element 76 through the resistance element 42 and then through the current conducting elements 56 and 70 to the equipotential surface 74 for closing the circuit.
  • the falling voltage is tapped at the connections 50, 52.
  • the resistance value at defined temperatures can then be determined in preparation for the measurement.
  • the corresponding values are stored in a table, for example, depending on the temperature during the calibration process.
  • the temperature is then determined via the resistance elements 44.
  • the current flowing through the resistance elements 42 can then be determined by taking into account the stored resistance values at the specific temperature, which in turn is supplied by the electrochemical electrode 12.
  • the spatial positioning of the measuring segments 20 with respect to the surface 18 in turn enables the local currents on the electrochemical electrode 12 to be measured, so that the local current distribution on the electrochemical electrode 12 can be determined.
  • the solution according to the invention also makes it possible, if the resistance elements 42 are designed appropriately with a known temperature dependency, to measure the local heat distribution on the electrochemical electrode 12.
  • the resistance elements 44 are used to measure the temperature in the third layer 40 and, as a result, can assign a current value for the current flowing through the corresponding resistance elements 42 with high accuracy from the calibration result.
  • the measuring device 10 is provided with connection elements from which the corresponding voltage values can be tapped.
  • connection elements from which the corresponding voltage values can be tapped.
  • a first connection element 82 and a second connection element 84 are formed on the first layer 24 and the fourth layer 54.
  • the voltage drop which is assigned to the resistance elements 42 of the individual measuring segments 20, can be tapped at corresponding contacts via these connection elements 82, 84.
  • the corresponding voltage signals can then be forwarded to an evaluation device in order to be able to determine the current value from the voltage value via a resistance value from a table at a known temperature.
  • a third connection element 86 (FIG. 9) can also be provided, which is used to calibrate the resistance elements 42. Via this connection element 86, the resistance elements 42 can be subjected to current in a defined manner and the associated voltage drop can be determined in order to be able to record the temperature-dependent resistance characteristic in particular.
  • the multi-layer measuring device 10 is produced by known methods, for example by first producing the first layer 24 and successively forming the second layer 34, the third layer 40 and the fourth layer 54. The fifth layer 72 is then produced.
  • 7 x 7 measuring segments 20 are provided, which are arranged in a square grid. There is a distance of 0.2 mm between adjacent measuring segments.
  • a measuring surface corresponding to a contact surface 22 has an area of 50.2 mm x 50.2 mm.
  • a measuring segment 20 comprises 8 x 8 current line elements 30 in a grid corresponding to a regular square grid with a distance of 0.9 mm.
  • the diameter of a power line element 30 is 0.3 mm.
  • the measuring resistors themselves have a length of 1.9 mm between the connections 50 and 52 in the exemplary embodiment.
  • the width across is 1 mm and the height in the third layer 40 12 ⁇ m.
  • the resistance is 2.73 m ⁇ ; at 70 ° C the resistance is 3.32 m ⁇ .
  • the resistance elements 44 are formed by twelve tracks, which run at a distance of 0.2 mm and are 10 mm long.
  • the measuring device 10 according to the invention is used as follows:
  • the resistance elements 42 are measured via the third connection element 86, in that the voltage drop across the individual resistance elements 42 is measured at a defined temperature and a defined current application. The temperature-dependent resistance values are saved. During the calibration measurement, there is no current flow through the current line elements 30.
  • the measuring device 10 When measuring the electrochemical electrode 12, the measuring device 10 is positioned with its surface 18 on the surface of this electrochemical electrode 12. When current flows, the current is diverted via the contact surfaces 22 through the current-conducting elements 30 through the first layer 24 to the respective resistance elements 42, which are oriented transversely to the current-conducting elements 30. The corresponding voltage drop is measured and the current value assigned to each measuring segment 20 can then be determined from the stored values. This gives the local current distribution at the electrochemical electrode.

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Abstract

Um eine Messvorrichtung zur Messung der lokalen Stromverteilung/Wärmeverteilung an einer elektrochemischen Elektrode, umfassend eine Mehrzahl von Messsegmenten, wobei ein Messsegment ein Widerstandselement und mindestens ein Stromleitungselement aufweist, über welches die elektrochemische Elektrode kontaktierbar ist und eine Stromableitung zu dem zugeordneten Widerstandselement erfolgt, bereitzustellen, welche auf einfache Weise herstellbar ist, ist vorgesehen, dass das einem Messsegment zugeordnete Widerstandselement so orientiert ist, dass der Stromfluss an diesem Widerstandselement in einer Richtung quer zu der Stromflussrichtung an dem Stromleitungselement erfolgt.

Description

B E S C H R E I B U N G
Meßvorrichtung zur Messung der lokalen Stromverteilung/Wärmeverteilung an einer elektrochemischen Elektrode
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Messung der lokalen Stromverteilung/Wärmeverteilung an einer elektrochemischen Elektrode, umfassend eine Mehrzahl von Meßsegmenten, wobei ein Meßsegment ein Widerstandselement und mindestens ein Stromleitungselement aufweist, über welches die elektrochemische Elektrode kontaktierbar ist und eine Stromableitung zu dem zugeordneten Widerstandselement erfolgt.
Eine solche Meßvorrichtung ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 101 51 601 AI bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche auf einfache Weise herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Meßvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das einem Meßsegment zugeordnete Widerstands- element so orientiert ist, daß der Stromfluß an dem Widerstandselement in einer Richtung quer zu der Stromflußrichtung an dem Stromleitungselement erfolgt.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich auf einfache Weise herstellen, insbesondere im Zusammenhang mit einem mehrlagigen Aufbau, da sich die Widerstandselemente auf einfache Weise herstellen lassen. Beispielsweise werden sie über eine Dünnschicht- oder Dickschichttechnologie flächenhaft aufgebracht.
Die Dicke der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung läßt sich gering halten bzw. anpassen, da sich die Höhe der Widerstandselemente in der Dickenrichtung gering halten läßt, so daß die Dicke der Meßvorrichtung nicht durch die Widerstandselemente selber bestimmt ist.
Die Meßvorrichtung läßt sich somit durch aus der Leiterplattentechnik bekannte Produktionsverfahren herstellen und insbesondere als Multilayerplatine herstellen.
Die Meßvorrichtung, die beispielsweise in eine bipolare Kontaktplatte integriert sein kann, läßt sich flach ausgestalten und insbesondere mit einer Dicke, die herkömmlichen Bipolarplatten entspricht, die keine Meßvorrichtung enthalten. Dadurch muß der Abstand zwischen gegenüberliegenden Elektroden nicht wegen der Messung der lokalen Stromverteilung bzw. lokalen Wärmeverteilung verändert werden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Stromleitungselemente quer zu einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich Ströme von der Oberfläche weg führen, wobei diese Oberfläche wiederum in Kontakt mit der elektrochemischen Elektrode steht.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Widerstandselemente im wesentlichen parallel zu einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung orientiert sind. Dadurch wird die Herstellung der Meßvorrichtung vereinfacht. Insbesondere läßt sich diese als Multilayerplatine (d. h. mit einem mehrlagigen Aufbau) herstellen. Weiterhin bestehen keine besonderen Einschränkungen für die Dicke der Meßvorrichtung aufgrund der Ausbildung der Widerstandselemente.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Meßsegment eine geschlossene Kontaktoberfläche für die elektrochemische Elektrode aufweist. Es läßt sich dann von jedem Punkt der elektrochemischen Elektrode, die mit der Kontaktoberfläche in elektrischem Kontakt steht, Strom abführen. Dadurch wird eine sichere Messung erreicht.
Es ist günstig, wenn die Stromleitungselemente in einem Raster bezogen auf die Kontaktoberfläche angeordnet sind. Dadurch läßt sich der von der Kontaktoberfläche gewissermaßen aufgenommene Strom auf sichere Weise zu einem zugeordneten Widerstandselement ableiten, wobei sich der Widerstand der einzelnen Stromleitungsele εnte gering halten läßt.
Weiterhin ist es günstig, wenn Kontaktoberflächen auf einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung in einem Raster angeordnet sind. Dadurch läßt sich ein weitgehend lückenloser Bereich der Oberfläche der elektrochemischen Elektrode bezüglich der lokalen Stromverteilung ausmessen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn Stromleitungselemente, welche von einer Oberfläche der Meßvorrichtung wegführen, welche der elektrochemischen Elektrode zugewandt ist, derart ausgebildet sind, daß eine Gasdichtigkeit gewährleistet ist. Beispielsweise sind sie massiv ausgebildet. In der Leiterplattentechnik werden Stromleitungselemente durch Platinenlagen hindurch oft hohlzylindrisch ausgeführt, d. h. in einer Durchgangsbohrung wird die Innen- fläche mit einem elektrischen Leiter versehen. Es kann vorgesehen sein, daß ein Stromleitungselement massiv ist. Es kann sich aber auch um ein Hohlelement handeln, dessen Hohlraum befüllt ist, um eine Gasdichtigkeit herzustellen. Dadurch wird eine Gasdichtigkeit gewährleistet, d. h. es wird verhindert, daß über die Stromleitungselemente ein Reaktionsgas in die Meßvorrich- tung strömen kann.
Ein Stromleitungselement läßt sich auf einfache Weise hersteilen, wenn entsprechende Ausnehmungen und insbesondere Bohrungen mit einem elektrisch leitfähigen Material wie Kupfer verkleidet oder gefüllt sind. Im Falle der Ver- kleidung wird der Hohlraum gefüllt. Dadurch läßt sich auf einfache Weise eine Stromleitungsrichtung quer zu der Oberfläche erzielen.
An jedem Widerstandselement ist eine elektrische Spannung abgreifbar, so daß über den Spannungswert ein durch das jeweilige Widerstandselement fließender Strom ermittelbar ist. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Widerstandselemente bezüglich ihres Widerstandswerts kalibrierbar sind. Grundsätzlich können die Widerstandselemente eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Wenn die Widerstandselemente mittels Kupferschichten gebildet werden, dann weisen sie sogar eine relativ starke Temperaturabhängigkeit auf. Aus einem gemessenen Spannungsabfall läßt sich dann nur der Stromdurchfluß ermitteln, wenn die Temperatur bekannt ist und der entsprechende Widerstandswert bei dieser Temperatur bekannt ist. Beim Kalibrierungsvorgang wird der entsprechende Widerstand mit einem definierten Strom beaufschlagt, wobei definierte Tem- peraturbedingungen herrschen, und der Spannungsabfall ermittelt. Die entsprechenden Werte werden gespeichert. Wenn dann bei der eigentlichen Messung ein Spannungsabfall ermittelt wird und die Temperatur bekannt ist, dann lassen sich aus den beim Kalibrierungsvorgang ermittelten Tabellen auch der Stromdurchfluß ermitteln und damit wiederum der jedem Meßsegment zu- geordnete lokale Elektrodenstrom.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Widerstandselement einen oder mehrere Kalibrierungsanschlüsse aufweist, um so an jedem Widerstandselement die entsprechenden Kalibrierungsmessungen durchführen zu können.
Ferner günstig ist es, wenn ein oder mehrere Meßsegmente zur Temperaturmessung vorgesehen sind. Bei diesen Meßsegmenten kann es sich um die eigentlichen Mεßsegmente handeln oder um zusätzliche Meßsegmente, welche insbesondere zwischen den eigentlichen Meßsegmenten für die lokale Strom- Verteilung angeordnet sind. Mit diesen Meßsegmenten zur Temperaturmessung läßt sich beispielsweise die lokale Temperaturverteilung auf der elektrochemischen Elektrode ermitteln. Alternativ läßt sich bei entsprechender Anordnung zwischen den Meßsegmenten zur lokalen Stromverteilung über die Temperaturmessungs-Meßsegmente die Temperatur in einer Lage ermitteln, welche die Widerstandselemente für die Strommessung aufnimmt, um so in Abhängigkeit der Temperatur den relevanten Widerstandswert insbesondere aus einer Kalibrierungstabelle zu ermitteln. Dadurch kann der Temperatureinfluß auf den Widerstandswert erfaßt werden, und so wiederum der Stromwert mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
Insbesondere weist ein Temperaturmessungs-Meßsegment ein Widerstands- element bekannter Temperaturcharakteristik auf. Dadurch läßt sich über die Beaufschlagung mit einem definierten Strom und über Messung des Spannungsabfalls die Temperatur ermitteln.
Vorteilhafterweise sind die Temperaturmessungs-Meßsegmente zwischen Meß- Segmenten für die Strommessung angeordnet. Bei dieser Ausführungsform läßt sich dann die Meßgenauigkeit für die Strommessung erhöhen, da der Temperatureinfluß auf den Widerstandswert der Widerstandselemente berücksichtigbar ist. ι
Günstig ist es, wenn die Meßvorrichtung einen mehrlagigen Aufbau aufweist. Sie läßt sich dann mit bekannten Produktionsverfahren aus der Multilayer- technik herstellen.
Insbesondere ist eine Lage vorgesehen, in welcher die Widerstandselemente angeordnet sind. Die Dicke dieser Lage ist dabei nicht durch die Dicke der Widerstandselemente bestimmt. Femer ist es günstig, wenn eine Lage vorgesehen ist, in welcher Stromleitungselemente angeordnet sind, welche zu einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung führen. Über diese Stromleitungselemente lassen sich Ströme von einer Oberfläche ableiten, d. h. lassen sich Ströme von der Elektrode zu den Widerstandselementen hin ableiten.
Es ist auch günstig, wenn eine Lage vorgesehen ist, welche zwischen der Lage mit den Stromleitungselementen, welche zu der Oberfläche führen, und der Lage mit den Widerstandselementen angeordnet ist, und welche Stromleitungselemente zu den Widerstandselementen umfaßt. Dadurch läßt sich für jedes Meßsegment individuell eine definierte Stromableitung zu dem Widerstand erreichen, wobei von der übergeordneten Lage her nur ein Stromleitungselement vorgesehen werden muß. Dadurch genügt von dieser Lage her nur eine Anschlußstelle zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandselements.
Ferner ist es günstig, wenn eine Lage, welche Leitungen für eine Kalibrierung des Widerstandselements umfaßt, vorgesehen ist. Insbesondere ist diese Lage so ausgebildet, daß Leiterbahnen verdeckt angeordnet sind, d. h. nicht an einer Oberfläche der Meßvorrichtung sitzen. Diese sind dadurch geschützt.
Es ist auch günstig, wenn eine äußere Lage vorgesehen ist, weiche für eine elektrische Kontaktierung einer Oberfläche der Meßvorrichtung sorgt, welche der Oberfläche, die der zu messenden elektrochemischen Elektrode zugewandt ist, gegenüberliegend ist. Über diese Lage lassen sich die elektrischen Stromkreise schließen. Eine solche äußere Lage läßt sich auf einfache Weise herstellen, wenn eine Kontakteinrichtung, welche der Oberfläche der Meßvorrichtung gegenüberliegt, die der zu messenden elektrochemischen Elektrode zugewandt ist, eine Äqui- potentialfläche ist. Eine solche Äquipotentialfläche läßt sich auf einfache Weise durch eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material oder durch eine Platte aus einem elektrisch leitenden Material herstellen. Es läßt sich so auf einfache Weise eine Stromsammeieinrichtung realisieren, auf der die einzelnen Strompfade zusammengefaßt sind. Da elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind, läßt sich über eine solche Äquipotentialfläche eine gute Kühlung erreichen. Es können auch auf einfache Weise Kühlkanäle integriert werden, inbesondere bei dem Vorsehen einer Platte.
Günstig ist es, wenn mindestens ein Anschlußelement für die Spannungs- messung vorgesehen ist. Über dieses Anschlußelement, welches entsprechende Kontakte aufweist, lassen sich dann Spannungssignale abgreifen und zu einer Auswerteeinrichtung führen. Es können dabei mehrere solcher Anschlußelemente vorgesehen sein, beispielsweise zwei, die an gegenüberliegenden Seiten der Meßvorrichtung liegen. Dadurch wird die Führung der Leiterbahnen in den entsprechenden Lagen erleichtert.
Es ist auch günstig, wenn mindestens ein Anschlußelement und insbesondere getrenntes Anschlußelement für eine Kalibrierungsmessung der Widerstandselemente vorgesehen ist. Auch hierdurch wird die Leiterbahnführung erleich- tert.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich in eine Kontaktplatte und insbesondere Bipolarplatte zur Anordnung zwischen einer benachbarten Anode und Kathode integrieren. Die benachbarte Anode und Kathode sind dabei insbesondere eine benachbarte Anode und Kathode benachbarter Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels.
Weiterhin ist es möglich, die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in ein Gasverteilungselement zu integrieren, mittels welchem Reaktionsgas zu einer elektrochemischen Elektrode zuführbar ist. Es ist dabei eine gleichzeitige Ausbildung als Kontaktplatte und Gasverteilungselement möglich. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die entsprechende elektrochemische Elektrode selber mit Gasverteilungskanälen versehen ist. Ferner ist es möglich, die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in ein Gasverteilungselement zu integrieren, welches nicht zwischen benachbarten Elektroden angeordnet ist, sondern nur einer einzigen Elektrode zugeordnet ist.
Die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, welche als
Kontaktplatte zwischen einer gegenüberliegenden Anode und Kathode angeordnet ist;
Figur 2 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Ausfüh- rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung; Figur 3(a) einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Widerstandslage
(entsprechend dem Bereich A gemäß Figur 7);
Figur 3(b) eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung mit Stromlei- tungselementen (entsprechend dem Bereich B gemäß
Figur 8), welche unterhalb des in Figur 3(a) gezeigten Bereichs liegen;
Figur 4 eine vergrößerte Darstellung eines Widerstandselements zur Temperaturmessung (entsprechend dem Bereich C gemäß Figur 7);
Figuren 5 bis 9 Schnittansichten in verschiedenen Ebenen der Meßvorrichtung gemäß Figur 2, wobei die verschiedenen Schnitt- ansichten verschiedene Lagen zeigen, mit
Figur 5 einer Schnittansicht in einer ersten Lage längs der Linie
5-5 gemäß Figur 2;
Figur 6 einer Schnittansicht längs der Linie 6-6 gemäß Figur 2 entsprechend einer zweiten Lage;
Figur 7 einer Schnittansicht längs der Linie 7-7 gemäß Figur 2 entsprechend einer Lage mit Widerstandselementen; Figur 8 einer Schnittansicht längs der Linie 8-8 gemäß Figur 2 entsprechend einer Lage mit Kalibrierungsleitungen für Widerstandselemente und
Figur 9 einer Draufsicht auf die Meßvorrichtung gemäß Figur 2 in der Richtung D entsprechend einer fünften Lage.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, welche in Figur 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, ist bei- spielsweise als Kontaktplatte (Bipolarplatte) zwischen einer Kathode 12 als elektrochemische Elektrode und einer Anode 14 als weitere elektrochemische Elektrode angeordnet. Beispielsweise handelt es sich bei der Kathode 12 und der Anode 14 um die benachbarten Elektroden zwischen benachbarten Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels.
Die Meßvorrichtung 10 kann, wie erwähnt, als Kontaktplatte ausgebildet sein oder in eine solche Kontaktplatte integriert sein.
Die Meßvorrichtung 10 kann zusätzlich oder alternativ als Gasverteilungs- element ausgebildet sein, welches Gaskanäle 16 aufweist, über welche sich
Reaktionsgas der entsprechenden elektrochemischen Elektrode zuführen läßt.
Es ist möglich, daß das Gasverteilungselement gleichzeitig eine Kontaktplatte
Es ist auch möglich, daß Gasverteilungskanäle in die elektrochemische Elektrode integriert sind, so daß die Kontaktplatte mit der Meßvorrichtung keine Gasverteilungsfunktion hat. Durch die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich die lokale Stromverteilung und bei einer Variante einer Ausführungsform auch noch die lokale Wärmeverteilung an der auszumessenden elektrochemischen Elektrode (in Figur 1 der Kathode 12) ermitteln.
Die Meßvorrichtung 10 weist, wie in Figur 2 gezeigt, eine Oberfläche 18 auf, welche der zu messenden elektrochemischen Elektrode 12 zugewandt ist und mit dieser in elektrischen Kontakt bringbar ist. Es ist eine Mehrzahl von Meß- Segmenten 20 für die Strommessung vorgesehen, welche über die Meßvorrichtung 10 verteilt sind. Jedes Meßsegment 20 ist einem bestimmten Oberflächenbereich der zu messenden elektrochemischen Elektrode 12 zugeordnet und über das entsprechende Meßsegment 20 läßt sich der Strom an dem zugeordneten Bereich der elektrochemischen Elektrode 12 messen. Die räum- liehe Auflösung der Messung ist durch die Anzahl und durch die Größe der Meßsegmente 20 bestimmt.
Ein Meßsegment 20 weist eine Kontaktfläche 22 (Kontaktoberfläche) zur Kontaktierung der elektrochemischen Elektrode 12 auf. Bei einer solchen Kontakt- fläche 22 handelt es sich beispielsweise um aus einer Schicht aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer auf der Oberfläche 18. Benachbarte Kontaktflächen 22 sind dabei beabstandet, d. h. sie sind nicht leitend miteinander verbunden. Diese Kontaktflächen 22 sind in einem Raster angeordnet, welches die Oberfläche 18 mit den entsprechenden Lücken zwischen benachbarten Kontaktflächen 22 bedeckt.
Die Meßvorrichtung 10 ist vorzugsweise mehrlagig aufgebaut. Eine erste Lage 24 umfaßt die Oberfläche 18 mit den Kontaktflächen 22. In dieser ersten Lage 24 sind jeweils einer Kontaktfläche 22 zugeordnet mehrere Ausnehmungen 26 gebildet, welche gasdicht gefüllt sind, beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Material 28. Es ist auch möglich, die Durch kontaktierungen durch Verkleidung der Wände der Äusnehmungen 26 mit einem elektrisch leitenden Material herzustellen, wobei der eventuell verbleibende Zwischenraum gasdicht gefüllt ist (das Füllmaterial muß hier nicht elektrisch leitend sein). Beispielsweise sind die Ausnehmungen 26 mit Kupfer gefüllt. Die Kontaktflächen 22 sitzen auf diesen gefüllten Ausnehmungen 26 und. sind mit diesen elektrisch verbunden. Dadurch sind Stromleitungselemente 30 gebildet, mittels welchen sich ein elektrischer Strom von den jeweiligen Kontaktflächen 22 her durch die erste Lage 24 führen läßt. Die Stromleitungselemente 30 sind dabei quer zur Oberfläche 18 angeordnet, so daß ein Stromfluß durch die erste Lage 24 hindurch erfolgen kann.
Jeder Kontaktfläche 22 ist eine Mehrzahl von Stromleitungselementen 30 zugeordnet. Es ist auch möglich, jedem Stromleitungselement 30 an der Oberfläche 18 eine eigene Kontaktfläche zuzuordnen (in der Zeichnung nicht gezeigt).
Die Kontaktflächen 22 können vergoldet sein. Dadurch erhält man eine Verminderung des Kontaktwiderstands zur elektrochemischen Elektrode bei erhöhter chemischer Beständigkeit.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt ein Meßsegment 20 8 x 8 Stromlei- tungselemente 30 als Durchkontaktierungen, wobei beispielsweise 7 x 7 Meßsegmente 20 vorgesehen sind. Ein Meßsegment 20 weist an der Oberfläche 18 eine Fläche von 7 mm x 7 mm auf. Der Teil eines solchen Meßsegments 20, welcher in der ersten Lage 24 liegt und mit einer entsprechenden Kontaktfläche 22 an der Oberfläche 18 verbunden ist, ist in Figur 5 gezeigt und dort mit dem Bezugszeichen 32 versehen.
Dadurch, daß einem Meßsegment 20, welches eine Kontaktfläche 22 aufweist, eine Mehrzahl von insbesondere gitterförmig angeordneten Stromleitungselementen 30 als Durchkontaktierungen zugeordnet ist, läßt sich eine Strombeaufschlagung über den gesamten Bereich der Kontaktfläche 22 er- mittein, unabhängig von eventuell integrierten Gaskanälen. Die Ableitung des Stroms durch die erste Lage 24 hindurch ist gewährleistet.
Wenn die Stromleitungselemente 30 massiv ausgebildet sind oder die Ausnehmungen 26 gefüllt sind, läßt sich ein Gasdurchtritt in unter der ersten Lage 24 angeordnete weitere Lagen verhindern.
Auf die erste Lage 24 folgt eine zweite Lage 34. In der zweiten Lage 34 sind dabei, wie in den Figuren 2 und 6 angedeutet, einem Meßsegment 20 zugeordnete Stromleitungselemente 30 über eine Kontaktschicht 36 leitend mitein- ander verbunden. Die Kontaktschichten 36 benachbarter Meßsegmente 20 sind dabei elektrisch gegeneinander isoliert.
Von den den jeweiligen Meßsegmenten 20 zugeordneten Kontaktschichten 36 führt jeweils ein einziges Stromleitungselement 38 nach unten in eine benach- barte dritte Lage 40 (Figuren 2 und 7). In der dritten Lage 40 sind Widerstandselemente 42, 44 (Figuren 3(a), 4 und 7) angeordnet. Die Widerstandselemente 42 dienen zur Strommessung und die Widerstandselemente 44 dienen zur Temperaturmessung.
Ein Widerstandselement 42, welches einem Meßsegment 20 zugeordnet ist, liegt im wesentlichen parallel zur Oberfläche 18 orientiert in der dritten Lage 40 mit einer Stromflußrichtung, die quer zur Stromflußrichtung in den Stromleitungselementen 30 ist und insbesondere rechtwinklig zu der Stromflußrichtung durch die erste Lage 24 liegt. Dadurch läßt sich die Dicke der Meßvorrichtung 10 quer zur Oberfläche 18 gering halten bzw. gezielt einstellen.
Die Widerstandselemente 42 sind entsprechend den Meßsegmenten 20 beispielsweise in einem Raster verteilt in der dritten Lage 40 angeordnet.
Ein Widerstandselement 42 ist dabei an Leitungen 46, 48 über Anschlüsse 50, 52 angekoppelt. Diese Leitungen 46 verlaufen in der dritten Lage 40 zu einem seitlichen Rand der Meßvorrichtung 10. Über sie läßt sich die an den jeweiligen Widerstandselementen 42 abfallende Spannung messen.
Die Widerstandselemente 42 sind zur Strombeaufschlagung nach oben zu der zweiten Lage 34 hin über die Stromleitungselemente 38 kontaktiert. Nach unten zu einer vierten Lage 54 hin ist jedem Widerstandselement 42 ein einziges Stromleitungselement 56 vorgesehen (Figur 3(b)).
Bei Stromfluß durch eine Kontaktfläche 22 fließt der Strom über die entspre- chenden Stromleitungselemente 30 auf das zugeordnete Widerstandselement 42 des jeweiligen Meßsegments 20 ab mit einer Richtung, die quer zur Oberfläche 18 ist. In dem Widerstandselement 42 fließt der Strom dann zwischen den entsprechenden Ankopplungsstellen an das Stromleitungselement 38 und das Stromleitungselement 56 durch das Widerstandselement 42 hindurch mit einer Stromflußrichtung, welche quer zur Stromflußrichtung in den Stromleitungselementen 30 liegt.
An den Anschlüssen 50, 52 ist die abfallende Spannung abgreifbar.
Zwischen entsprechenden Widerstandselementen 42, die den jeweiligen Meßsegmenten 20 zugeordnet sind, sind die Widerstandselemente 44 angeordnet. Dadurch sind zwischen den Meßsegmenten 20 für die Strommessung Temperaturmessungs-Meßsegmente 57 angeordnet. Diese weisen eine größere Fläche für den Stromdurchfluß auf als die Widerstandselemente 42. Sie dienen zur Temperaturmessung, indem sie extern mit einem definierten Strom beaufschlagt werden und die jeweils abfallende Spannung gemessen wird, wobei die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der Widerstandselemente 44 bekannt ist, so daß aus einer elektrischen Messung die Temperatur ermittelbar ist.
Ein Widerstandselement 44 ist dazu zwischen Anschlußleitungen 58, 60 gebil- det, wie in Figur 4 gezeigt. Über diese Anschlußleitungen 58, 60, welche in der dritten Lage 40 nach außen verlaufen, kann ein Strom durch das Widerstandselement 44 geschickt werden. Die zwischen Anschlüssen 62, 64 abfallende Spannung wird gemessen, wobei entsprechende Leitungen 56, 68 vorgesehen sind, die an den Rand der Meßvorrichtung 10 führen. Diese Leitungen 66, 68 verlaufen in der dritten Lage 40. Ein Widerstandselement 44 ist beispielsweise, wie in Figur 4 gezeigt, mäanderförmig ausgebildet mit Leiterbahnen, welche zwischen den Anschlüssen 62 und 64 verlaufen. Dadurch läßt sich in der dritten Lage 40 über eine Spannungsmessung die Temperatur ermitteln.
Mehrere Widerstandselemente 44 sind in der dritten Lage 40 in Reihe geschaltet. Dadurch läßt sich die Stromversorgung vereinfachen, da weniger externe Anschlüsse benötigt werden.
Wie aus den Figuren 4 und 7 ersichtlich ist, sind die Widerstandselemente 44 so zwischen den Widerstandselementen 42 der entsprechenden Meßsegmente 20 angeordnet, daß sie deren regelmäßige Anordnung nicht stören, wobei gleichzeitig die Leiterbahnen der Leitungen 58, 60 und 66, 68 in der entsprechenden dritten Lage 40 geführt sind.
Durch die vierte Lage 54 (Figuren 3(b) und 8) hindurch ist jedem Widerstandselement 42 zugeordnet ein Stromleitungselement 70 geführt. Die jeweiligen Stromleitungselemente 70 sind dabei mit einer eine fünfte Lage 72 (Figuren 2 und 9) bildenden Äquipotentialfläche 74 verbunden. Bei dieser han- delt es sich beispielsweise um eine Kupferplatte oder eine Kupferschicht. Über diese Äquipotentialfläche 74, welche eine Kontakteinrichtung bildet, wird der Strom weitergeleitet.
In der vierten Lage 54 sind auch quer zur Oberfläche 18 verlaufende Strom- leitungselemente 76 angeordnet (Figuren 2, 3(b), 8), die jeweils einem Meßsegment 20 zugeordnet sind und mit dem jeweiligen Widerstandselement 42 verbunden sind. Ein solches Stromleitungselement 76 ist weiterhin an eine Leiterbahn 78 gekoppelt, welche in der vierten Lage 54 zu einer Seite der Meßvorrichtung 10 läuft.
Bei der Ankopplungsstelle eines Stromleitungselements 76 an ein Widerstandselement 42 handelt es sich um einen Kalibrieranschluß 80. Zur Kalibrierung des Widerstandselements 42 eines Meßsegments 20 wird über den Kalibrieranschluß 80, d. h. über das Stromleitungselement 76, ein definierter Strom durch das Widerstandselement 42 geschickt. Der Stromfluß erfolgt dabei durch die Leiterbahn 78 über das Stromleitungselement 76 durch das Widerstandselement 42 und dann durch die Stromleitungselemente 56 und 70 zur Äquipotentialfläche 74 zur Schließung des Stromkreises. Die abfallende Spannung wird an den Anschlüssen 50, 52 abgegriffen.
Es läßt sich dann zur Vorbereitung der Messung der Widerstandswert bei definierten Temperaturen ermitteln. Die entsprechenden Werte werden beispielsweise beim Kalibriervorgang temperaturabhängig in einer Tabelle gespeichert.
Bei einem eigentlichen Meßvorgang, bei dem die lokale Stromverteilung an der elektrochemischen Elektrode 12 gemessen wird, wird dann über die Widerstandselemente 44 die Temperatur ermittelt. Durch Messung des Spannungsabfalls der Widerstandselemente 42 läßt sich dann durch Berücksichtigung der hinterlegten Widerstandswerte bei der bestimmten Temperatur der jeweils über die Widerstandselemente 42 fließende Strom ermitteln, welcher wiederum von der elektrochemischen Elektrode 12 geliefert wird. Durch die räumliche Positionierung der Meßsegmente 20 bezüglich der Oberfläche 18 wiederum lassen sich dadurch die lokalen Ströme an der elektrochemischen Elektrode 12 messen, so daß sich die lokale Stromverteilung auf der elektrochemischen Elektrode 12 ermitteln läßt.
Wenn der Widerstandswert der Widerstandselemente 42 in seiner Abhängigkeit von der Temperatur bekannt ist, dann ist ein solcher Kalibrierungsvorgang nicht notwendig.
Grundsätzlich ist es durch die erfindungsgemäße Lösung auch möglich, wenn die Widerstandselemente 42 entsprechend ausgebildet sind mit bekannter Temperaturabhängigkeit, die lokale Wärmeverteilung auf der elektrochemischen Elektrode 12 zu messen.
Die Widerstandselemente 44 dienen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dazu, die Temperatur in der dritten Lage 40 zu messen und dadurch aus dem Kalibrierungsergebnis mit hoher Genauigkeit einem gemessenen Spannungsabfall einen Stromwert für den Strom, welcher durch die entsprechenden Widerstandselemente 42 fließt, zuordnen zu können.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 10 ist mit Anschlußelementen versehen, an welchen die entsprechenden Spannungswerte abgreifbar sind. Beispielsweise sind an der ersten Lage 24 und der vierten Lage 54 ein erstes Anschlußelement 82 und ein zweites Anschlußelement 84 gebildet. Über diese Anschlußelemente 82, 84 läßt sich an entsprechenden Kontakten jeweils der Spannungsabfall, welcher den Widerstandselementen 42 der einzelnen Meßsegmente 20 zugeordnet ist, abgreifen. Die entsprechenden Spannungssignale lassen sich dann an eine Auswerteeinrichtung weitergeben, um bei bekannter Temperatur aus dem Spannungswert über einen Widerstandswert aus einer Tabelle den Stromwert ermitteln zu können.
Es kann noch ein drittes Anschlußelement 86 (Figur 9) vorgesehen sein, welches zur Kalibrierung der Widerstandselemente 42 dient. Über dieses Anschlußelement 86 lassen sich die Widerstandselemente 42 definiert mit Strom beaufschlagen und es läßt sich der zugehörige Spannungsabfall ermitteln, um insbesondere die temperaturabhängige Widerstandscharakteristik aufnehmen zu können.
Die mehrlagige Meßvorrichtung 10 wird durch bekannte Verfahren hergestellt, indem beispielsweise die erste Lage 24 zuerst hergestellt wird und sukzessive die zweite Lage 34, die dritte Lage 40 und die vierte Lage 54 gebildet werden. Anschließend wird die fünfte Lage 72 hergestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind 7 x 7 Meßsegmente 20 vorgesehen, welche in einem Quadratgitter angeordnet sind. Zwischen benachbarten Meßsegmenten liegt ein Abstand von 0,2 mm. Eine Meßfläche entsprechend einer Kontaktfläche 22 weist eine Fläche von 50,2 mm x 50,2 mm auf.
Ein Meßsegment 20 umfaßt 8 x 8 Stromleitungselemente 30 in einem Raster entsprechend einem regelmäßigen Quadratgitter mit einem Abstand von 0,9 mm. Der Durchmesser eines Stromleitungselements 30 beträgt 0,3 mm.
Die Meßwiderstände selber weisen bei dem Ausführungsbeispiel eine Länge von 1,9 mm zwischen den Anschlüssen 50 und 52 auf. Die Breite quer dazu beträgt 1 mm und die Höhe in der dritten Lage 40 12 μm. Bei 20°C beträgt der Widerstand 2,73 mΩ; bei 70°C beträgt der Widerstand 3,32 mΩ.
Die Widerstandselemente 44 werden beim Ausführungsbeispiel durch zwölf Bahnen gebildet, welche im Abstand von 0,2 mm verlaufen und 10 mm lang sind.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 10 wird wie folgt eingesetzt:
Bei einem Kalibrierungsvorgang werden über das dritte Anschlußelement 86 die Widerstandselemente 42 ausgemessen, indem bei einer definierten Temperatur und definierter Strombeaufschlagung der Spannungsabfall an den einzelnen Widerstandselementen 42 gemessen wird. Die temperaturabhängigen Widerstandswerte werden gespeichert. Bei der Kalibrierungsmessung erfolgt kein Stromfluß über die Stromleitungselemente 30.
Bei der Ausmessung der elektrochemischen Elektrode 12 wird die Meßvorrichtung 10 mit ihrer Oberfläche 18 an der Oberfläche dieser elektrochemischen Elektrode 12 positioniert. Bei Stromfluß wird der Strom über die Kontakt- flächen 22 durch die Stromleitungselemente 30 durch die erste Lage 24 hindurch auf die jeweiligen Widerstandselemente 42 abgeleitet, die quer zu den Stromleitungselementen 30 orientiert sind. Der entsprechende Spannungsabfall wird gemessen und aus den gespeicherten Werten läßt sich dann der jedem Meßsegment 20 zugeordnete Stromwert ermitteln. Dadurch erhält man die lokale Stromverteilung an der elektrochemischen Elektrode.

Claims

PATENTANSPRÜCH E
1. Meßvorrichtung zur Messung der lokalen Stromverteilung/Wärmeverteilung an einer elektrochemischen Elektrode (12), umfassend eine Mehrzahl von Meßsegmenten (20), wobei ein Meßsegment (20) ein Widerstandselement (42) und mindestens ein Stromleitungselement (30) aufweist, über welches die elektrochemische Elektrode (12) kontaktierbar ist und eine Stromableitung zu dem zugeordneten Widerstandselement (42) erfolgt, d a d u rc h g e ke n n ze ich n et , daß das einem Meßsegment (20) zugeordnete Widerstandselement (42) so orientiert ist, daß der Stromfluß an diesem Widerstandselement (42) in einer Richtung quer zu der Stromflußrichtung an dem Stromleitungselement (30) erfolgt.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stromleitungselemente (30) quer zu einer der elektrochemischen Elektrode (12) zugewandten Oberfläche (18) der Meßvorrichtung angeordnet sind.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (42) im wesentlichen parallel zu einer der elektrochemischen Elektrode (12) zugewandten Oberfläche (18) der Meßvorrichtung orientiert sind.
4. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsegment (20) eine geschlossene Kontaktoberfläche (22) für die elektrochemische Elektrode (12) aufweist.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Stromleitungselementen (30) mit der Kontaktoberfläche (22) verbunden ist.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleitungselemente (30) in einem Raster bezogen auf die Kontaktoberfläche (22) angeordnet sind.
7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktoberflächen (22) in einem Raster auf einer der elektrochemischen Elektrode (12) zugewandten Oberfläche (18) der Meßvorrichtung angeordnet sind.
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Stromleitungselemente (30), welche von einer Oberfläche (18) der Meßvorrichtung weg führen, welche der elektrochemischen Elektrode (12) zugewandt ist, derart ausgebildet sind, daß eine Gasdichtigkeit gewährleistet ist.
9. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von Stromleitungselementen (30) Ausnehmungen (26) vorgesehen sind, welche gasdicht ausgefüllt sind.
10. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Widerstandselement (42) eine elektrische Spannung abgreifbar ist.
11. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (42) bezüglich ihres Widerstandswerts kalibrierbar sind.
12. Meßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandselement (42) einen oder mehrere Kalibrierungsanschiüsse (80) aufweist.
13. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Meßsegmente (57) zur Temperaturmessung vorgesehen sind.
14. Meßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturmessungs-Meßsegment (57) ein Widerstandselement (44) bekannter Temperaturcharakteristik umfaßt.
15. Meßvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessungs-Meßsegmente (57) zwischen Meßsegmenten (20) für die Stromverteilung angeordnet sind.
16. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau.
17. Meßvorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Lage (40), in welcher die Widerstandselemente (42) angeordnet sind.
18. Meßvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Lage (24), in welcher Stromleitungselemente (30) angeordnet sind, welche zu einer der elektrochemischen Elektrode (12) zugewandten Oberfläche (18) der Meßvorrichtung führen.
19. Meßvorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Lage (34), welche zwischen der Lage (24) mit den Stromleitungselementen (30), welche zu der Oberfläche (18) führen, und der Lage (40) mit den Widerstandselementen (42) angeordnet ist, und welche Stromleitungselemente (38) zu den Widerstandselementen (42) umfaßt.
20. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet durch eine Lage (54), welche Leitungen (78) für eine Kalibrierung der Widerstandselemente (42) umfaßt.
21. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch eine äußere Lage (72), welche für eine elektrische Kontaktierung einer Oberfläche der Meßvorrichtung sorgt, welche der Oberfläche (18), die der zu messenden elektrochemischen Elektrode (12) zugewandt ist, gegenüberliegend ist.
22. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontakteinrichtung (72), welche der Oberfläche (18) der Meßvorrichtung gegenüberliegt, die der zu messenden Elektrode (12) zugewandt ist, eine Äquipotentialfläche (74) umfaßt.
23. Meßvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakteinrichtung (72) mit Kühlkanälen versehen ist.
24. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Anschlußelement (82; 84) für einen Spannungsabgriff.
25. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Anschlußelement (86) für eine Kalibrierungsmessung der Widerstandselemente (42).
26. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Integration in eine Kontaktplatte zur Anordnung zwischen einer benachbarten Anode (14) und Kathode (12).
7. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Integration in ein Gasverteilungselement, mittels welchem Reaktionsgas zu einer elektrochemischen Elektrode (12) zuführbar ist.
EP04723899A 2003-04-04 2004-03-27 Messung der stromverteilung/wärmeverteilung einer elektrochemischen elektrode Withdrawn EP1618395A1 (de)

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